黑龙港流域微地貌与地下水埋深对土壤潜在盐渍化的影响

张华艳, 牛灵安,2, 郝晋珉, 宝鲁尔, 张彦宏, 邢晓霞

(1.中国农业大学 资源与环境学院, 北京 100193; 2.中国农业大学 曲周试验站, 河北 曲周 057250;3.邯郸市水资源综合管理办公室, 河北 邯郸 056001; 4.邯郸市复兴区户村镇， 河北 邯郸 056001)

土壤潜在盐渍化是由自然或人为因素引起的严重环境问题，是制约农业生产和生态环境可持续发展的主要因素之一[1]。Szabolcs[2]指出：“潜在盐渍化系指那些表层目前未盐化或碱化，而可能发生盐渍化的土壤”。他认为许多干旱和半干旱地区，全部或大部分土壤可以列入潜在盐渍化土壤，可见它所指的是一种“将来时”的潜在盐渍化土壤。根据Szabolcs[3]对欧洲国家中现有的和潜在的盐渍化土壤面积的统计，某些国家潜在盐渍化土壤的面积比现有的盐渍化土壤面积大十倍乃至几十倍。范晓梅等[4]的研究表明在浅埋深水位下，土壤盐分随潜水水位的下降而减小，两者之间可满足正相关或指数的关系。地下水及其矿化度与土壤、植物体中盐分及其水分互为“源—库”关系[5-6]。姜净卫等[7]在研究土壤盐渍化的分布状况时表明可以通过地下水埋深空间异质性与土壤不同深度盐分分布的关系来反映。Douaik等[8]研究结果显示土壤盐分的时空变异性与地下水埋深之间的关系在一定程度上反映了土壤耕作层内的盐渍化程度和状态。在地下水埋藏浅的条件下，地下水中的盐分极易通过毛管上升作用不断地向地表累积，形成土壤盐渍化[9]，当地下水位和土壤质地基本相同时,地下水矿化度越高,地下水向土壤中补给的盐分就越多,土壤积盐就越重[10],土壤水的矿化度也就越高。Jordán等[11-12]研究表明土壤水盐运移与潜水埋深有着密切的关系。

一些学者如魏由庆[13-14]、Kovda等[15]对黑龙港流域潜在盐渍土进行了研究，得出如下共识：引起土壤盐渍化或次生盐渍化的因素是多方面的。对黑龙港流域而言，由次生盐渍化因素所引起土壤盐渍化的可能性较由原生盐渍化因素引起土壤盐渍化的可能性更大；潜在盐渍化的发生机率不仅与土壤本身特性有关，与其所处环境也有直接关系；潜在盐渍土划分的前提是0—20 cm土层含盐量≤2 g/kg，且含盐量越大越易形成潜在盐渍土；1 m土体含盐量的高低、积盐层的部位、土壤盐分的运移方向、土壤质地及质地层次、地下水特征、地形地貌等都对潜在盐渍土的形成产生影响。

目前众多针对盐渍化的研究中对土壤盐渍化的反复性认识还存在不足之处。中国黄淮海平原区的盐渍土近几十年来得到了治理和改良，并继续向好的方向发展，但局部地区土壤盐渍化有增无减[16]。盐碱地经过工程的、生物的和化学等一系列的方法改良后，农业生产面貌发生了很大变化，土壤的盐渍化得到了治理，生态环境得到了改善[17],但是在近些年来盐渍地区地下水位普遍下降2～3 m，甚至更多，个别地区已经出现了地下水下降漏斗，因此地下水中的盐分极易通过毛管上升作用不断地向地表累积，形成土壤盐渍化[16,18]。

本文拟以黑龙港流域的曲周县为研究区域，主要从田间试验、县域内多点数据分析出发，对近年县域土壤潜在盐渍化进行多方位评价，以期为预防土壤盐渍化提供科学依据，对农业生产、土地利用等具有重要的指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于河北省邯郸市的东北部，地理坐标为北纬36°34′45″—36°57′57″，东经114°50′30″—115°13′30″，为黑龙港流域上游，属于冀南平原中部交接洼地以下的冲积平原，地势自西南向东北倾斜，地面高程32.7～45.5 m，地面坡降1/3 000左右。气候属暖温带半湿润大陆性季风气候区，年平均气温13.1 ℃，年平均降水量556.2 mm，降水主要集中在7—9月，占全年降水量的2/3，年平均蒸发量是年平均降水量的3.30倍。

1.2 试验设计

1.2.1 咸淡水灌溉试验 本试验于1997年开始。共设5个处理(见表1)，每个处理设3次重复，随机排列，小区面积为8.5 m×8.5 m，保护行1.5 m。氮肥每年250 kg/hm2(以N含量计)，磷肥每年170 kg/hm2(以P2O5含量计)。灌溉用淡水电导率为1.1～1.6 dS/m，微咸水电导率为5.4 dS/m。每次灌溉水量为65～83 mm。由于小麦幼苗期对盐分比较敏感，为避免盐分的过度伤害，在冬前未利用咸水进行灌水[19]。

表1 1997-2005年冬小麦和夏玉米轮作灌溉试验处理

注：√表示该生育期内灌淡水； ○表示该生育期内灌咸水； —表示该生育期内不灌水。

1.2.2 区域试验设计 按照曲周县地貌类型、土壤盐化状况及农业利用情况，于2004年在全县耕地选定了82个采样点，每个采样点分别采集0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm土层的土样，用于测定土壤盐分含量。

1.2.3 不同地貌采样试验 于2016年5月份，在曲周县北部，从东到西，沿着垂直于地貌变化的方向，选择了9个点，每个点用GPS定位，挖掘土壤剖面、描述各土层的特征，并采集土样，然后进行土壤盐分和土壤质地的测定[20]。

利用Microsoft Excel 2010，SigmaPlot 10.0，ArcGIS 10.0， Global Map， DPS等软件对数据进行相关统计与分析。

2 结果与分析

2.1 微咸水灌溉对土壤潜在盐渍化的影响

经过8 a(1997—2005年)的试验研究可知(表2)，充分咸水灌溉的处理0—40，0—100，0—180 cm土体含盐量分别增加了42.37%，63.51%，44.64%，这说明用微咸水灌溉土壤盐分主要积累在40—100 cm这一土层上。降雨和灌溉对土壤的淋洗作用主要影响0—40 cm土体，导致40—100 cm土体盐分的聚集。在干旱的年份(占平均年降雨量的58.2%)，充分咸水灌溉处理的0—40，0—100，0—180 cm土体含盐量百分比增量高达129.60%，132.84%和70.54%，比整个试验高出了2～3倍，特别是在表层，土壤盐分表聚非常明显。在降水的下渗和强烈的地下水蒸发作用下，土壤水分和盐分的运动非常活动[21]，土壤可溶性盐含量高，进一步导致潜在盐渍化的发生。由于微咸水灌溉对土壤有淋洗作用和积盐效应，因此在干旱年利用微咸水灌溉需要慎重[22]。

表2 微咸水灌溉条件下不同时期土壤中盐分的积累和运动状况

注：ΔS2=100%×ΔS1/a； ΔG2=100%×(ΔG1/a+Is)。a为开始时土壤含盐量；b为结束时土壤含盐量； ΔS为土壤含盐量的变化；Is为随灌溉水进入的盐分量； ΔG为从下层土壤进入的盐分量。ΔS1为单位面积盐含量; ΔS2为土壤含盐量百分比； ΔG1为单位面积从下层土壤进入的盐分量； ΔG2为从下层土壤进入的盐分量百分比。

2.2 县域内土壤盐分状况分析

各土层盐分含量及分级由图1可知，全县82个采样点各土层盐分含量有较大的差异，0—20 cm土层含盐量基本上处于非盐化状态，含盐量≤2 g/kg的采样点达到了72个；只有个别采样点(如经过咸水灌溉的点、近年来开发的盐荒地)有轻微的盐化，含盐量2～4 g/kg的采样点只有10个。20—40 cm土层含盐量主要是≤2 g/kg，有66个点；2～4 g/kg的采样点有10个；含盐量大于4 g/kg的采样点6个。40—60 cm土层含盐量也主要是≤2 g/kg，有53个点，占大约50%；2～4 g/kg的采样点增加到19个；含盐量大于4 g/kg的采样点10个。60—80 cm土层含盐量≤2 g/kg的采样点下降到48个；含盐量在2～4 g/kg的采样点增加到26个；含盐量大于4 g/kg的采样点为8个。80—100 cm土层含盐量≤2 g/kg的采样点只有40个；含盐量在2～4 g/kg的采样点增加到33个；含盐量大于4 g/kg的采样点为8个。由此可见，在1 m土体内，随着土层的加深，土壤含盐量逐渐增多，盐分多在40—100 cm土层聚集。

图1 各土层盐分含量及分级表3 曲周县不同土层各盐分离子的平均含量

g/kg

2.3 微地貌对土壤含盐量的影响

由图2，3，4可知，河北省曲周县内研究区域的9个采样点由西向东微地貌发生了明显的变化，即整体上出现先增高后降低的趋势，而土壤盐分含量也随微地貌的变化而出现一定程度的增减变化。具体变化状况如图2—4及表4所示。

图2 河北省曲周县内研究区域土壤断面分布表4 河北省曲周县内研究区域各采样点土壤断面状况

项 目采样点四瞳水厂四瞳酒厂西实验站北实验站东支漳河西王庄村西南杏园有机肥厂北龙堂南王楼村西地 貌决口畸形地河间洼地支漳河故道决口畸形地河间微倾平原河间微倾平原河间洼地河间微倾平原河间洼地表层土壤质地重 壤砂 壤轻 壤轻 壤轻 壤轻 壤轻 壤轻 壤中 壤

其中，四疃酒厂(宁魏线西四疃水厂西北角以北30 m)的海拔高度为最高38.0 m，其土壤盐分含量最高为1.12 g/kg，其表层土壤为砂壤；南王楼村西(支漳河以西213 m四龙公路以北100 m)采样点最低，为35.6 m，土壤盐分含量最低，为0.65 g/kg，表层质地为轻壤，说明在此区间内土壤盐分含量变幅随着微地貌的起伏而变化，并表现出很好的相关性(图4)，其相关指数R2=0.76，这与郑琦等[23]对玛纳斯河流域研究结果不同。在土壤盐渍化过程中，微地貌因素(土地类型)至关重要，地形的高低起伏，影响地面、地下径流的运动，土壤中的水分和盐分也就随之发生分异和积累，其盐分组成及离子比例、积盐、脱盐过程存在差异[24-25]。

图3各位点土样盐分随海拔高度的变化图4土壤盐分含量和海拔高度的相关分析

2.4 土体构型对土壤含盐量及离子组成的影响

图5d中试验站东(36.4 m)的土体构型为轻壤—轻壤—轻壤—沙壤—重壤。由于通体是轻壤或沙壤，通透性较强，盐分容易随水上升到地表而聚积，因此表聚现象较为明显。

由图5e可以看出，支漳河西的观测点(35.9 m)土体构型为：轻壤—轻壤—轻壤—沙壤—沙壤—中壤—沙壤。土壤全盐含量以18—40 cm的轻壤层、71—108 cm的中壤层和108 cm以下的沙壤层为高，分别达到了3.23，4.94，5.19 g/kg，并有随着土层的加深而聚积增加的趋势。

由图5f所示，王庄村西南(36.3 m)的土体构型为轻壤—轻壤—沙壤—黏土—沙壤，并且在69—100 cm的黏土层和100 cm以下的沙壤层出现锈斑和绣纹，土壤全盐含量主要以30—69 cm的沙壤层和69—100 cm土层居多，分别达到了2.35，2.44 g/kg。

图5g中可以看出杏园有机肥厂观测点(36.6 m)的土体构型为：轻壤—轻壤—轻壤—沙壤—中壤—黏土，锈斑出现在85—102 cm的中壤层中。0—85 cm土层土壤全盐含量表现出由高到低的变化趋势，从85—102 cm的中壤和102 cm以下的黏土层，则表现出土壤盐分的积累，达到了1.77，2.59 g/kg。

图5h北龙堂观测点(36.1 m)的土体构型为：轻壤—轻壤—轻壤—中壤—沙壤—沙壤—重壤。在56—72 cm出现了重壤层，因此，其全盐含量达到了1.71 g/kg，在99—112 cm沙壤层出现了锈斑。

图5i南王楼村观测点(35.6 m)的土体构型为：轻壤—中壤—轻壤—黏土—沙壤。在85—134 cm黏土层出现了锈斑锈纹。在33—85 cm的轻壤层和85—134 cm土层有盐分的聚积，分别达1.72和1.69 g/kg。

图5 各个点位各盐分离子含量随的土壤层次及质地的变化

2.5 地下水埋深的周年变化及其对土壤盐分的影响

地下水埋深是土壤发生盐渍化的决定性条件之一[27]。如图6所示，由曲周县1998—2012年5,9月各观测站测得的数据可知，5月的地下水位普遍较低，且较稳定；9月份的地下水位较高，且变异性较大。2004年是丰水年，经测定地下水埋深达到了6 m以上，而其余年份的埋深基本保持在7—10 m。从年内变化来看，曲周县在3—4月开始春灌，因此在5—6月地下水位通常达到最低。在7—8月降水量增加，雨季降水对地下水的补给通过深层土壤的滞蓄,使地下水埋深有所回升[28]，故9月份同5月份相比地下水得到补给，水位上升。“盐随水来，盐随水去”，土壤水分的运移将会对土壤盐分运动产生重要的影响[29]。土壤盐分主要通过潜水蒸发由地下水带至土壤耕层，Miyamoto等[30]通过研究发现长期用微咸水灌溉是造成土壤盐分含量增加的最主要原因。也有研究表明地下水位较浅时，即使地下水盐分含量较少，由于蒸发进入土壤中的水分较多也会携带较多的盐分，使土壤积盐[21,31]。因此，只有将地下水位控制在不致于因蒸发强度太大而使土壤表层积盐的深度，土壤才有可能不会发生盐渍化现象。

图6 曲周县多年平均地下水埋深变化过程

3 结 论

本文通过长期田间微咸水灌溉试验、土壤剖面形态观测、曲周县域1 m土体分层盐分分析，从海拔高度、土层深度、地下水埋深、土体构型几个方面对曲周境内土壤盐分含量分布作了一定研究，得出以下结论：

(1) 8 a的田间试验说明在40—100 cm土体盐分增量最高，降雨和灌溉对土壤的淋洗作用主要影响0—40 cm土体，导致盐分淋洗到下层土体并聚集。在干旱年份，充分咸水灌溉处理的土体含盐量比整个试验高出了2～3倍，因此在干旱年利用微咸水灌溉需要慎重。

(2) 在对全县82个采样点的测定中，发现0—20 cm土层含盐量基本上处于非盐化状态；20—40和40—60 cm土层含盐量以≤2 g/kg的为主；60—80和80—100 cm土层含盐量在2～4 g/kg的采样点分别增加到26和33个、含盐量大于4 g/kg的采样点各为8个。可见，在1 m土体内，随着土层的加深，土壤含盐量逐渐增多，且盐分多在40—100 cm土层聚集。

(3) 海拔高度为38.0 m的点(最高)，土壤盐分最高为1.12 g/kg；海拔最低的点，土壤盐分含量最低为0.65 g/kg，并表现出很好的相关性，其相关指数R2=0.76，说明在黑龙港流域，微地貌的高低起伏，影响地面、地下径流的运动，土壤中的水分和盐分也就随之发生分异和积累。

(5) 多年监测结果表明，黑龙港流域5月的地下水位普遍较低，且较稳定；9月份的地下水位较高，且变异性较大，且有逐年上升的趋势。因此，只有将地下水位控制在不因蒸发强度太大而使土壤表层积盐的深度，该区域土壤才有可能不会发生盐渍化现象。